一种基于ESP32的扫描隧道显微镜控制系统

本发明涉及一种扫描隧道显微镜的控制系统，尤其涉及一种基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统。

背景技术：

1、扫描隧道显微镜是表面科学、生物学以及材料学相关专业一种重要的分析和表征手段，能实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及表征与表面电子行为有关的物化性质。扫描隧道显微镜是通过探针和样品之间的隧穿电流对样品表面电子态进行表征，进行二维平面扫描从而得到样品的表面信息。目前，商业售卖的扫描隧道显微镜控制系统较为复杂，主要由工控板、数据采集卡和驱动电路等部件构成。工控板安装实时操作系统，通过以太网连接上位机pc端。pc端安装对应的软件，从而控制下位机和数据采集卡输出相应的驱动信号并采集需要的信号。该系统性能优越、技术成熟，被广泛应用在扫描隧道显微镜设备上，但是因其造价昂贵、体积庞大、硬件资源得不到充分利用以及芯片依赖进口等问题限制了它在科学研究中的运用。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是为了解决扫描隧道显微镜控制系统造价昂贵、体积庞大、芯片依赖进口等问题，提供了一种基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统。

2、技术方案：本发明所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，包括主控芯片esp32、控制扫描镜头移动的马达步进模块、镜头扫描模块、扫描信号采集模块、用于给探针和样品之间施加电压的施压模块和用于与上位机通讯的通讯模块，所述的主控芯片esp32拥有独立工作的双核系统且自带扫描信号采集模块和通讯模块。

3、进一步的，马达步进模块兼容接收信号变化缓慢的缓慢马达和接收信号变化快速的快速马达。

4、进一步的，主控芯片esp32的pwm输出功能通过改变占空比输出不同的波形，再通过低通滤波电路完成dac转换，实现对缓慢马达的控制；主控芯片esp32的iic通信或spi通信外挂高速dac来控制波形的输出实现对快速马达的控制。

5、进一步的，镜头扫描模块包括对样品进行二维平面扫描成像和调整扫描镜头的伸长或缩短。

6、进一步的，主控芯片esp32自带的两个8位dac通过输出三角波控制镜头扫描模块进行二维平面扫描成像，图像分辨率为256*256；主控芯片esp32输出不同占空比的pwm波形，再通过低通滤波对扫描镜头内电极施加不同的直流电压来实现扫描镜头的伸长或缩短。

7、进一步的，主控芯片esp32自带的adc采集模块包括对隧道内电流通过前级放大电路处理得到的电压信号和通过比例电路将信号缩放至0-3.3v对扫描信号进行采集，采样速率为128hz到5120hz。

8、进一步的，主控芯片esp32通过滤波电路过滤pwm输出波形给扫描探针和样品之间施加电压。

9、进一步的，主控芯片esp32通过wifi或蓝牙与上位机进行通信。

10、进一步的，主控芯片esp32输出的用于控制马达步进模块和镜头扫描模块的pwm波形和dac信号包括通过减法电路滤去叠加的直流分量和通过放大电路对信号进行放大。

11、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、成本低廉，主控芯片esp32价格低廉，叠加滤波和放大电路等附件成本远远低于进口控制器；2、体积小巧，将主控板和滤波电路、放大电路集成到一起大大缩小了控制器体积；3、esp32的硬件资源充分利用，减少资源的浪费；4、主控芯片esp32及其附带的滤波电路、放大电路所用芯片均为国产芯片，避免了芯片依赖进口的困境。

技术特征：

1.一种基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于包括主控芯片esp32、控制扫描镜头移动的马达步进模块、镜头扫描模块、扫描信号采集模块、用于给探针和样品之间施加电压的施压模块和用于与上位机通讯的通讯模块；所述的主控芯片esp32拥有独立工作的双核系统且自带扫描信号采集模块和通讯模块。

2.根据权利要求1所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于所述的马达步进模块兼容接收信号变化缓慢的缓慢马达和接收信号变化快速的快速马达。

3.根据权利要求2所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于主控芯片esp32的pwm输出功能通过改变占空比输出不同的波形，再通过低通滤波电路完成dac转换，实现对缓慢马达的控制。

4.根据权利要求2所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于主控芯片esp32的iic通信或spi通信外挂高速dac来控制波形的输出实现对快速马达的控制。

5.根据权利要求1所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于所述的镜头扫描模块包括对样品进行二维平面扫描成像和调整扫描镜头的伸长或缩短。

6.根据权利要求5所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于所述的主控芯片esp32自带的两个8位dac通过输出三角波控制镜头扫描模块进行二维平面扫描成像，图像分辨率为256*256；主控芯片esp32输出不同占空比的pwm波形，再通过低通滤波对扫描镜头内电极施加不同的直流电压来实现扫描镜头的伸长或缩短。

7.根据权利要求1所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于主控芯片esp32自带的adc采集模块包括对隧道内电流通过前级放大电路处理得到的电压信号和通过比例电路将信号缩放至0-3.3v对扫描信号进行采集。

8.根据权利要求1所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于主控芯片esp32通过滤波电路过滤pwm输出波形给扫描探针和样品之间施加电压。

9.根据权利要求1所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于主控芯片esp32通过wifi或蓝牙与上位机进行通信。

10.根据权利要求1所述的基于esp32的扫描隧道显微镜控制系统，其特征在于主控芯片esp32输出的用于控制马达步进模块和镜头扫描模块的pwm波形和dac信号包括通过减法电路滤去叠加的直流分量和通过放大电路对信号进行放大。

技术总结
本发明公开了一种基于ESP32的扫描隧道显微镜控制系统，包括主控芯片ESP32、控制扫描镜头移动的马达步进模块、镜头扫描模块、扫描信号采集模块、用于给探针和样品之间施加电压的施压模块和用于与上位机通讯的通讯模块。主控芯片ESP32拥有独立工作的双核系统且自带扫描信号采集模块和通讯模块，主控芯片ESP32的PWM输出功能通过改变占空比输出不同的波形，再通过低通滤波电路完成DAC转换对缓慢马达控制；IIC通信或SPI通信外挂高速DAC来控制波形的输出对快速马达控制。该发明替代现有的扫描隧道显微镜控制系统，成本低廉、体积小巧、ESP32的硬件资源充分利用同时主控芯片ESP32及其附带的滤波电路、放大电路所用芯片均为国产芯片，避免了芯片依赖进口的困境。

技术研发人员：杨紫琪,郭颖,黄骏,朱琳琳,严舒
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15